Bài giảng Trang bị điện-điện tử trong máy công nghiệp - Chương: Cơ bản về điện tử - Phần I: Linh kiện bán dẫn - Ngô Hà Quang Thịnh

Nội dung text: Bài giảng Trang bị điện-điện tử trong máy công nghiệp - Chương: Cơ bản về điện tử - Phần I: Linh kiện bán dẫn - Ngô Hà Quang Thịnh

1. Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh Đại Học Bách Khoa Khoa Cơ Khí Bộ Môn Cơ Điện Tử Môn Học: Trang Bị Điện-Điện Tử Trong Máy Công Nghiệp Cơ Bản Về Điện Tử Phần I: Linh Kiện Bán Dẫn TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
2. Lý Thuyết Bán Dẫn
3. Cấu Trúc Nguyên Tử - Khi hấp thụ đủ năng lượng (ví dụ từ nhiệt), các electron sẽ thoát ra khỏi nguyên tử và trở thành các electron tự do. Chất dẫn điện có nhiều electron tự do trong khi chất cách điện có rất ít electron tự do. - Số electron trong lớp vỏ ngoài cùng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất điện của vật liệu. - Vật liệu dẫn điện có electron trong lớp vỏ ngoài cùng, và chỉ cần một năng lượng nhỏ là có thể giải phóng chúng trở thành các electron tự do. - Đối với vật liệu cách điện, lớp vỏ ngoài cùng thường liên kết chặt với hạt nhân, do đó chúng có rất ít electron tự do. TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
4. Vật Liệu Bán Dẫn - Dựa trên tính dẫn điện, vật liệu bán dẫn không phải là vật liệu cách điện mà cũng không phải là vật liệu dẫn điện tốt. - Vật liệu bán dẫn có khuynh hướng đạt đến trạng thái bền vững tạm thời bằng cách lấp đầy lớp con của lớp vỏ ngoài cùng. - Nguyên tử bán dẫn thực hiện điều này bằng cách chia sẻ bốn electron lớp vỏ ngoài cùng của nó với bốn electron của bốn nguyên tử lân cận. - Các chất bán dẫn điển hình như Gecmanium (Ge), Silicium (Si), là những nguyên tố thuộc nhóm 4 trong bảng hệ thống tuần hoàn. TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
5. Dòng Điện Trong Bán Dẫn Giản đồ năng lượng TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
6. Chuyển Tiếp PN - Hai khối bán dẫn P và N tiếp xúc nhau. - Do chênh lệch nồng độ -> hiện tượng khuếch tán của các hạt dẫn đa số. + Điện tử khuếch tán từ N -> P + Lỗ trống khuếch tán từ P -> N TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
7. Phân Cực Chuyển Tiếp PN -Phân cực thuận chuyển tiếp PN: P nối cực dương, N nối cực âm. Hàng rào điện thế giảm còn Vtx – V. -Phân cực ngược chuyển tiếp PN: P nối cực âm, N nối cực dương. Hàng rào điện thế tăng lên Vtx + V. TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
8. Đánh Thủng Chuyển Tiếp PN -Có 2 nguyên nhân gây ra đánh thủng: nhiệt và điện. + Đánh thủng về nhiệt xảy ra do sự tích lũy nhiệt trong vùng nghèo hạt dẫn. + Đánh thủng về điện được phân làm 2 loại: đánh thủng thác lũ (avalanching) và đánh thủng xuyên hầm (tunnel). Quan hệ của diode cho thấy sự gia tăng đột ngột Sự gia tăng của nhiệt độ làm cho đặc của dòng khi áp gần đến điện áp đánh thủng tuyến dịch sang trái TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
9. Cấu Tạo & Nguyên Tắc Hoạt Động - Để thể hiện sự phụ thuộc của hiệu điện thế vào nhiệt độ, khái niệm điện thế nhiệt được đưa ra: Ví dụ: Một chuyển tiếp PN được tạo nên từ bán dẫn loại P có 1022 acceptor/m3 và bán dẫn loại N có 1.2 x 1021 donor/m3. Tìm điện thế o 16 3 nhiệt và điện thế hàng rào tại 25 C. Cho ni = 1,5 x 10 electron/m Với T = 25 + 273 = 298oK k = 1,38 x 10-23 q = 1,6 x 10-19 C → VT = 25,7 (mV) Điện thế hàng rào: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
10. Cấu Tạo & Nguyên Tắc Hoạt Động Biểu thức diod: Trong đó: I: dòng qua chuyển tiếp (mA) V: Điện áp trên chuyển tiếp (dương khi phân cực thuận) (V) IS: Dòng bão hòa ngược (mA) m: Hệ số phát, phụ thuộc vào loại vật liệu VT: Điện thế nhiệt (V) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
11. Cấu Tạo & Nguyên Tắc Hoạt Động Đặc tuyến: Trong thực tế, để dễ dàng trong việc phân tích mạch thì đặc tuyến của diod được xem như thẳng đứng Có thể xem diod hở mạch trong trường hợp E hoạt động như một khóa đóng ngắt TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
12. Mạch Ứng Dụng Diod - Mạch chỉnh lưu dùng diod (bán kỳ) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
13. Mạch Ứng Dụng Diod - Mạch chỉnh lưu dùng diod (2 bán kỳ) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
14. Mạch Ứng Dụng Diod - Mạch chỉnh lưu dùng diod (2 bán kỳ): dùng cầu chỉnh lưu (bridge rectifier) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
15. Cấu Tạo & Đặc Tuyến - Vẫn là chuyển tiếp P-N, nhưng được chế tạo bằng vật liệu chịu nhiệt và tỏa nhiệt tốt TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
16. Cấu Tạo & Đặc Tuyến - Trong vùng phân cực ngược, Zener có dòng ngược nhỏ khi áp ngược nhỏ hơn áp đánh thủng (breakdown) - Tại điểm áp ngược bằng áp breakdown, dòng ngược bắt đầu tăng nhanh, dòng Iz và áp ngược rơi trên diod thay đổi không đáng kể. TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
17. Bipolar Junction Transistor
18. Cấu Tạo - BJT (Bipolar Junction Transistor) được tạo nên từ 3 lớp bán dẫn phân cách nhau bởi hai mối nối P-N - Ba vùng bán dẫn trong transistor được gọi là vùng Phát (Emitter), Nền (Base) và Thu (Collector) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
19. Hình Dạng Một Số BJT - Transistor vỏ nhựa dùng trong các ứng dụng tổng quát với tín hiệu có biên độ nhỏ TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
20. Hình Dạng Một Số BJT - Cấu tạo của Transistor package, nhiều transistor chứa trong cùng 1 vỏ TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
21. Hình Dạng Một Số BJT - Transistor dùng trong các ứng dụng có tần số cao (RF Transistor) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
22. Nguyên Tắc Hoạt Động - Xét tác dụng của nguồn E2: Chuyển tiếp JC được phân cực ngược, vùng nghèo được mở rộng, hàng rào điện thế Vγ và điện trường tiếp xúc Etx tăng lên. - Có thêm nguồn E1: Chuyển tiếp JE được phân cực thuận: điện thế hàng rào tại tiếp giáp JE giảm xuống làm xuất hiện hiện tượng phun hạt dẫn, do đó, điện tử từ N+ tràn qua P và lỗ trống P tràn qua miền N+. Hình thành dòng điện IE chạy từ B->E TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
23. Nguyên Tắc Hoạt Động β: Hệ số truyền đạt dòng điện phát Khi BJT đã được phân cực, thêm nguồn tín hiệu nhỏ nguồn dòng is như hình vẽ. Mức độ phân cực JE sẽ thay đổi theo is làm dòng điện từ E tới C cũng thay đổi theo -> ic thay đổi theo is ib~is và ic=βib ic lớn hơn is -> BJT khuếch đại tín hiệu TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
24. Sơ Đồ Kết Nối Cơ Bản Sơ đồ E chung: - Ngõ vào: B-E - Ngõ ra: C-E - Mạch có tính khuếch đại dòng và áp TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
25. Sơ Đồ Kết Nối Cơ Bản Sơ đồ E chung: - Đặc tuyến ngõ ra IC=f(VCE) khi IB=const TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
26. Sơ Đồ Kết Nối Cơ Bản Sơ đồ B chung: - Đặc tuyến ngõ vào IE = f(VBE) khi VCB = const TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
27. Sơ Đồ Kết Nối Cơ Bản Sơ đồ C chung: - Ngõ vào: B-C - Ngõ ra: E-C - Mạch khuếch đại dòng (IE >> IB) - Mạch có độ lợi áp gần bằng 1 TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
28. Sơ Đồ Kết Nối Cơ Bản Sơ đồ C chung: - Đặc tuyến ngõ ra IE = f(VCE) khi IB = const - Có dạng giống đặc tuyến ngõ ra IC = f(VCE) khi IB = const ở sơ đồ E chung TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
29. Tính Toán Phân Cực Phân cực kiểu định dòng Base và điện trở Re: Re có tác dụng ổn định điểm tĩnh Q khi nhiệt độ thay đổi (ổn định nhiệt) o Khi t tăng → IB tăng → IE tăng → Vbe giảm → IB giảm → IE giảm → ổn định điểm Q o Khi t giảm → IB giảm → IE giảm → Vbe tăng → IB tăng → IE tăng → ổn định điểm Q Điểm tĩnh Q(VCEQ, ICQ) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
30. Đường Tải DC & AC - Đường tải 1 chiều (DC Load Line – DCLL) là đường biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện 1 chiều qua BJT - Đường tải xoay chiều (AC Load Line – ACLL) là đường thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện tức thời qua BJT - Quy ước: iC(t), VCE(t): giá trị dòng điện và điện áp tức thời qua BJT ICQ, VCEQ: giá trị dòng điện và điện áp DC qua BJT ic(t), Vce(t): giá trị dòng điện và điện áp xoay chiều (AC) qua BJT TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
31. Đường Tải DC & AC Điểm tĩnh Q(VCEQ, ICQ ) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
32. Đường Tải DC & AC - DCLL: - ACLL: TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
33. Transistor Trường MOSFET
34. Transistor Trường MOSFET TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
35. Transistor Trường MOSFET → Đặc tính V-A linh kiện loại N được vẽ trên hình bên, có dạng tương tự với đặc tính V-A của BJT. Điểm khác biệt là tham số điều khiển là điện áp kích UGS thay cho dòng điện kích IBE. TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
36. Thyristor (SCR)
37. Nguyên Lý Hoạt Động → Ban đầu công tắc K2 đóng → Khi công tắc K1 đóng, điện áp U1 cấp vào chân G làm đèn Q2 dẫn -> kéo theo đèn Q1 dẫn -> dòng điện từ nguồn U2 đi qua thyristor làm đèn sáng → Tiếp theo, công tắc K1 ngắt nhưng đèn vẫn sáng → Đèn sáng duy trì cho đến khi K2 ngắt -> thyristor không được cấp điện và nhưng trạng thái hoạt động. → Khi thyristor đã ngưng dẫn, ta đóng K2 nhưng đèn vẫn không sáng như trường hợp ban đầu. TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
38. Đặc Tuyến Thyristor → Dòng điện thuận cực đại → Điện áp thuận tới hạn (VBF) → Dòng điện duy trì (IH) → Điện áp đánh thủng ngược (VBR) → Điện áp kích cổng (VG) → Dòng điện kích cổng (IG) TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
39. Thyristor Thực Tế - Thyristor 22RIA SERIES – International Rectifier TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
40. TRIAC - TRIAC (Triode for Alternating Current) là phần tử bán dẫn gồm 5 lớp bán dẫn tạo thành cấu trúc p-n-p-n. TRIAC có thể coi tương đương với 2 thyristor đấu song song ngược - Để điều khiển TRIAC, cần cấp xung cho chân G - Ứng dụng trong điều khiển đèn, bơm, quạt TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
41. Cách Đo Kiểm Tra TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
42. Một Số Sơ Đồ Điều Khiển TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
43. Định Nghĩa - Điện trở quang (photo-resistor, LDR: light-dependent resistor) là một linh kiện điện tử có điện trở thay đổi theo ánh sang chiếu vào - Dùng làm cảm biến nhạy sang trong các mạch dò sáng tối để đóng cắt đèn chiếu sáng TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
44. Nguyên Lý Hoạt Động - Hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật chất: khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân tử thành tự do trong khối chất → chất bán dẫn thành dẫn điện - Mức độ dẫn điện tùy thuộc vào số photon được hấp thụ - Tùy thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác nhau với bước song photon khác nhau TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
45. Định Nghĩa - Pin quang điện là nguồn điện trong đó quang năng chuyển hóa thành điện năng. - Pin quang điện hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong của các chất bán dẫn: german, silic, selen TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn
46. Ứng Dụng - Máy đo ánh sáng - Máy đo màu sắc như lux kế - Chế tạo pin dùng trên tàu vũ trụ - Xe chạy bằng năng lượng mặt trời TS. Ngô Hà Quang Thịnh, nhqthinh@hcmut.edu.vn